Das Programm MATLAB mit seiner blockschaltbildorientierten Toolbox Simulink hat sich zum Standard in wirtschaftlichen und universitären Umgebungen entwickelt und bietet besonders übersichtliche Methoden der Simulation zur Lösung von Differentialgleichungen. In seinem Werk „Modellbildung und Simulation dynamischer Systeme“ bereitet Scherf einige vereinfachte, aber durchaus realitätsnahe Beispiele aus Bereichen der Mechanik, Thermodynamik oder Elektrotechnik auf, um die Funktionsweise von Simulink zu verdeutlichen.
Diese Arbeit wird zunächst eins dieser genannten Beispiele herausgreifen und kurz erläutern. Danach soll dieses durch Abwandlung von Parametern erweitert werden, um so die Möglichkeiten, die MATLAB und Simulink bieten, zu verdeutlichen. Die Herausforderung besteht dabei darin, zum einen Scherfs Beispiel als Ausgangslage sachlich prägnant aufzubereiten, sodass dessen Erweiterung für den Leser leicht nachzuvollziehen ist. Des Weiteren ist eine sinnvolle und praxisnahe Parameterabwandlung zu wählen und das Modell von Scherf entsprechend daran anzupassen. Außerdem sollen die Simulationsergebnisse übersichtlich und verständlich aufbereitet werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Vorbetrachtungen
1.2 Ausgangslage
1.3 Motivation und Zielstellung
2 Das Basismodell von Scherf
2.1 Parameter für Simulation und Fahrzeug
2.2 Zusammenstellung der Bewegungsgleichungen
2.3 Simulation in Simulink
3 Gegenüberstellung verschiedener Fahrzeugklassen
3.1 Auswahl der Fahrzeugklassen
3.2 spezifische Parameter
3.3 Simulationsanpassungen
3.4 Ergebnisse
4 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser wissenschaftlichen Ausarbeitung liegt in der Abwandlung und Erweiterung eines bestehenden Simulationsmodells zur computergestützten Abbildung mechanischer Systeme. Ausgehend von einem von Scherf publizierten Basismodell für den Beschleunigungsvorgang eines Personenkraftwagens untersucht die Arbeit anhand von MATLAB und Simulink, wie sich unterschiedliche fahrzeugspezifische Parameter auf die Fahrdynamik und das Beschleunigungsverhalten verschiedener Fahrzeugklassen auswirken und wie diese Zusammenhänge simulationsgestützt automatisiert analysiert und visualisiert werden können.
- Modellierung und numerische Lösung fahrzeugdynamischer Bewegungsgleichungen in Simulink
- Detaillierte Analyse des Beschleunigungsvorgangs unter Einwirkung von Antriebs-, Rollreibungs- und Luftwiderstandskräften
- Parametrierung und Differenzierung dreier repräsentativer Fahrzeugklassen (Kleinwagen, Coupé, SUV)
- Einsatz von KI-gestützter Datenrecherche zur plausiblen Erstellung von Motorkennfeldern und Fahrzeugabmessungen
- Automatisierung von Simulationsläufen und vergleichende graphische Auswertung mittels MATLAB-Skripten
Auszug aus dem Buch
3.2 spezifische Parameter
Zur Vorbereitung der Simulation müssen zunächst die spezifischen Parameter der gewählten Fahrzeuge bestimmt werden. Dazu ist eine Verfahrensweise zur Beschaffung der erforderlichen Daten zu benennen. Um eine Vergleichbarkeit zu schaffen, soll grundlegend auf die Methode der Simulation von Scherf zurückgegriffen werden. Daher ist es zielführend, dessen Parameter in gleicher Struktur ebenso für die weiteren Fahrzeuge bereitzustellen. Aufgrund dieser vorgegebenen Struktur der Daten, insbesondere des Motorkennfeldes, ist es nicht praktikabel, spezielle Fahrzeugmodelle als Vertreter der Fahrzeugklassen auszuwählen. Eine Zusammenstellung aller erforderlichen Daten wäre auf diesem Weg deutlich zu aufwändig. Daher werden die Daten anhand für die Fahrzeugklassen typischen Eigenschaften zusammengestellt. Dabei kann ausdrücklich auf die Verwendung von KI, wie sie Anwendungen wie ChatGPT oder Perplexity bieten, zurückgegriffen werden. Diese sind in der Lage, aus zur Verfügung stehenden Internetquellen, Daten in der benötigten Struktur bereitzustellen. Diese müssen allerdings unbedingt auf Plausibilität geprüft werden. Für die Betrachtung im Rahmen dieser Arbeit, die lediglich der Simulation und Gegenüberstellung verschiedener Fahrzeuge und deren Umsetzung in MATLAB dienen soll, ist diese Verfahrensweise absolut ausreichend und zielführend.
Mit dieser festgelegten Verfahrensweise zu Datenbeschaffung wird im nächsten Schritt festgelegt, welche Daten in der vorgegebenen Struktur, abweichend von den Vergleichswerten betrachtet werden sollen, um die weiteren Fahrzeugtypen realistisch darzustellen. In erster Linie unterscheiden sich die PKW in deren Motorisierung. Daher wird ein zum jeweiligen Fahrzeug passendes Motorkennfeld benötigt. Des Weiteren unterscheiden sich die Fahrzeuge in ihren Abmessungen sowie deren Design, was sich vor allem in der Aerodynamik niederschlägt. Mit diesen Maßgaben werden die folgenden Parameter aus der durch Scherf vorgegebenen Datenstruktur im Vergleich zu seinem Beispiel abgewandelt:
• Motorkennfeld nach Drosselklappenstellung und Drehzahl
• Stirnfläche
• Fahrzeugmasse
• Reifenradius
• Luftwiderstandsbeiwert
Zur benannten notwendigen Plausibilisierung der Daten nachfolgend einige Hinweise zu den Fahrzeugen. Im Vergleich zu Kleinwagen sind SUV´s in deutlich größerer Bauweise ausgeführt. Ihre Masse, Reifenradius und Stirnfläche müssen demnach größere Werte als bei dem Kleinwagen und auch dem Coupé von Scherf aufweisen. Da sie allerdings oft als Langstreckenfahrzeuge eingesetzt werden und außerdem, aus Überlegungen zur Käuferschicht, in der Regel eher sportlich gestaltet sind, ist der Luftwiderstandsbeiwert im Verhältnis gering. Kleinwagen sind hingegen eher weniger aerodynamisch konzipiert, weshalb sie einen, im Verhältnis zu ihrer Masse und Stirnfläche, recht hohen cw Wert aufweisen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Das Kapitel führt in die Notwendigkeit rechnergestützter Simulationen im modernen Produktentwicklungsprozess ein und definiert die Zielsetzung, ein bestehendes MATLAB/Simulink-Modell praxisnah zu erweitern.
2 Das Basismodell von Scherf: In diesem Kapitel werden die mathematisch-physikalischen Bewegungsgleichungen, die Parameterkonstellation sowie der Aufbau des grundlegenden Simulink-Blockschaltbilds für den Beschleunigungsvorgang eines PKW dargelegt.
3 Gegenüberstellung verschiedener Fahrzeugklassen: Das Kernkapitel beschreibt die Auswahl dreier Fahrzeugtypen, die Beschaffung und Plausibilisierung ihrer spezifischen Parameter, die skriptbasierte Simulationsanpassung sowie die vergleichende Auswertung von Motormoment, Geschwindigkeit und wirkenden Kräften.
4 Zusammenfassung und Ausblick: Der abschließende Abschnitt fasst die Erkenntnisse bezüglich der Leistungsfähigkeit von MATLAB und Simulink zusammen und gibt Anregungen für künftige Untersuchungen wie Steigungsfahrten oder Simulationen ohne Drehzahlbegrenzung.
Schlüsselwörter
MATLAB, Simulink, Modellbildung, Simulation, Fahrzeugdynamik, Bewegungsgleichung, Beschleunigungsvorgang, Motorkennfeld, Drosselklappenwinkel, Luftwiderstand, Kleinwagen, Coupé, SUV
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der rechnergestützten Modellierung und Simulation dynamischer mechanischer Systeme am praxisnahen Beispiel des Beschleunigungsverhaltens von Personenkraftwagen in MATLAB und Simulink.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Zentrale Themen sind die physikalische Formulierung von Bewegungsgleichungen, die Implementierung von Fahrzeugparametern und Motorkennfeldern in blockorientierten Simulationsumgebungen sowie der typvergleichende fahrdynamische Beschleunigungsprozess.
Was ist das primäre Ziel bzw. die Forschungsfrage?
Das Ziel besteht darin, ein in der Fachliteratur etabliertes Simulationsmodell methodisch zu erweitern, um das Beschleunigungsverhalten unterschiedlicher Fahrzeugklassen durch automatisierte Programmschleifen effizient zu simulieren und vergleichend darzustellen.
Welche wissenschaftliche Methode wird angewendet?
Es kommt eine simulationsbasierte quantitative Methode zum Einsatz, bei der physikalische Bewegungsgleichungen über numerische Integrationsverfahren in Simulink gelöst und mithilfe automatisierter MATLAB-Skripte parametrisiert und geplottet werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil analysiert die Auswahl und Plausibilisierung fahrzeugspezifischer Kenngrößen für Kleinwagen, Coupé und SUV, erläutert die programmtechnische Einbindung über MATLAB-Datenstrukturen und vergleicht die Verläufe von Motormoment, Fahrgeschwindigkeit und Fahrwiderstandskräften.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren das Werk?
Charakterisierende Begriffe sind unter anderem MATLAB, Simulink, Fahrzeugdynamik, Motorkennfeld, Beschleunigung, Bewegungsgleichung, Luftwiderstandskraft und Fahrzeugklassenvergleich.
Wie wird der Beschleunigungsvorgang in der Simulation ausgelöst?
Das Fahrzeug fährt zunächst mit einer konstanten Geschwindigkeit von 60 km/h, woraufhin nach fünf Sekunden ein sprunghafter Anstieg des Drosselklappenwinkels auf 90 Grad erfolgt, was den maximal möglichen Vortrieb aktiviert.
Wie wurden die Parameter für die unterschiedlichen Fahrzeugtypen erhoben?
Da fahrzeugspezifische Messreihen den Rahmen überschritten hätten, wurden typische Eigenschaften der Klassen Kleinwagen und SUV unter Zuhilfenahme moderner KI-Systeme recherchiert und anschließend einer ingenieurwissenschaftlichen Plausibilitätsprüfung unterzogen.
Welche wesentlichen Unterschiede zeigen sich im Beschleunigungsverhalten der Klassen?
Aufgrund des hohen Drehmoments erreicht der SUV trotz seiner hohen Masse und Stirnfläche eine höhere Endgeschwindigkeit als Kleinwagen und Coupé, wobei der quadratisch mit der Geschwindigkeit wachsende Luftwiderstand maßgeblich die Beschleunigungsgrenzen bestimmt.
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- Sebastian Hufe (Author), 2025, Simulationen mit MATLAB und Simulink, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1759307
